materia oscura

¿El secreto de la materia oscura está en las galaxias extendidas?

Al igual que una onda en un estanque revela que una piedra ha sido lanzada, la existencia de la misteriosa esencia conocida como materia oscura se deduce de su más amplia influencia cósmica. Los astrónomos no pueden verlo directamente, pero su gravedad determina el nacimiento, la forma y el movimiento de las galaxias. Esto hace que un descubrimiento del año pasado sea aún más inesperado: una galaxia extrañamente extendida que parece no tener ninguna materia oscura. … Al igual que una onda en un estanque revela que una piedra ha sido lanzada, la existencia de la misteriosa esencia conocida como materia oscura se deduce de su más amplia influencia cósmica.

Los astrónomos no pueden verlo directamente, pero su gravedad determina el nacimiento, la forma y el movimiento de las galaxias. Esto hace que un descubrimiento del año pasado sea aún más inesperado: una galaxia extrañamente extendida que parece no tener ninguna materia oscura.

Algunos investigadores han aceptado el resultado, pero otros han expresado sus dudas, criticando las medidas de la distancia y el movimiento de la galaxia. Hay mucho en juego: si la galaxia careciera efectivamente de materia oscura, esto reforzaría paradójicamente la hipótesis de su existencia.

Ahora el grupo original ha traído más evidencia para confirmar su descubrimiento inicial, presentando también el de una nueva segunda galaxia que parece mostrar lo mismo: o mejor dicho, la misma carencia. D

…donde antes sólo había una galaxia aparentemente libre de materia oscura y ultradifundida, ahora, aparentemente, hay dos. “Siempre se puede descartar un objeto único como un unicornio, pero cuando encuentras dos unicornios empiezas a pensar que tal vez los unicornios existen”, dice Michael Boylan-Kolchin, un astrónomo de la Universidad de Texas en Austin que no participó en la investigación. “En ese punto, tal vez tengas que empezar a mirar cómo aparecieron, cuáles son sus propiedades y cuán comunes son.”

Descubriendo unicornios
Las dos galaxias son muy débiles y están muy lejos de la Tierra: los fotones de sus estrellas comenzaron a viajar a la Tierra en los últimos días del reinado de los dinosaurios, hace unos 65 millones de años.

La galaxia original, llamada NGC 1052-DF2, es del tamaño de la Vía Láctea pero contiene sólo el 1% de las estrellas de nuestra galaxia. El recién descubierto, NGC 1052-DF4, está en la misma zona del cielo y tiene aproximadamente el mismo tamaño y masa. (Las iniciales “DF” indican que fueron descubiertas con el Telephoto Array de la Libélula, que se especializa en la detección de objetos débiles).

El pasado mes de marzo, un grupo de investigadores dirigidos por Shany Danieli y Pieter van Dokkum de la Universidad de Yale publicó un estudio que estimaba el tamaño de NGC 1052-DF2 observando su luz estelar y los movimientos de los cúmulos estelares que la rodean.

Si DF2 contuviera toda la materia oscura que se esperaría para una galaxia similar, la materia oscura aumentaría la velocidad orbital de esos cúmulos estelares. En cambio, se mueven lentamente, lo que sugiere que la materia oscura está ausente.

Los críticos han argumentado que las velocidades de las masas de estrellas pueden no haber sido calculadas correctamente, argumentando también que incluso si los cálculos fueran correctos, el tamaño de la muestra de sólo 10 cúmulos estelares era demasiado pequeño para obtener determinaciones fiables del inventario de materia oscura de DF2.

En octubre, Danieli decidió resolver el problema utilizando una técnica diferente. Usó el Keck Cosmic Web Imager, un nuevo instrumento que acaba de ser instalado detrás del gigantesco espejo primario de 10 pies del telescopio Keck 2 en Hawaii.

El instrumento es capaz de medir la luz de objetos muy débiles con una resolución muy alta, lo que lo hace ideal para el análisis de galaxias ultradifusas como NGC 1052-DF2. De hecho, es tan eficiente que Danieli ya no necesitaba estudiar los movimientos de los grupos estelares para derivar la masa de la galaxia, sino que podía obtener la masa más directamente, utilizando la luz de las estrellas de la galaxia.

La luz estelar contiene mucha información. Dividiendo la luz en sus colores constituyentes, una técnica llamada espectroscopia, los científicos pueden determinar la estructura, la edad, la dirección de la estrella a través del cosmos y la velocidad. Gran parte de esta información está contenida en las líneas espectrales, características lineales incrustadas en el espectro de una estrella debido a la emisión o absorción de diversos elementos químicos.

El instrumento Keck ha medido el espectro de unos 10 millones de estrellas en la galaxia DF2. El tamaño de la difusión entre las estrellas más rápidas y más lentas de la galaxia da una idea de cuánta materia interactúa con ellas. Cuanta más materia esté presente, más oscura o más oscura, mayor será la difusión en las velocidades estelares. “Para nuestra sorpresa, medimos líneas espectrales extremadamente estrechas, que dejan muy poco espacio para una masa distinta de la masa de las estrellas de la galaxia”, dice Danieli. No hay lugar para la materia oscura.

Mientras tanto, Eric Emsellem del Observatorio Europeo Austral, y sus colegas, estaban examinando la galaxia con el Very Large Telescope en el desierto de Atacama, Chile. Ellos también encontraron una dispersión de baja velocidad, que apoya el escenario de materia oscura que falta.

Nicolas Martin, astrónomo de la Universidad de Estrasburgo, Francia, fue uno de los críticos del artículo original. En un artículo posterior, publicado el año pasado, argumentó que es demasiado difícil estimar la masa de la galaxia DF2 basándose en los movimientos de los cúmulos de estrellas circundantes.

Pero Martin dice que le tranquilizaron los últimos hallazgos de Danieli y Emsellem. “Es sólo gracias a los nuevos instrumentos que esto es factible en los mayores telescopios del planeta. Y para ser totalmente honesto, hace un año no estaba claro para mí que fuera factible”, observa. “Hace un año no estaba listo para decir que el sistema era necesariamente raro, porque sentía que la medición no estaba totalmente apoyada por los datos. Pero ahora que hay dos grupos diferentes que han medido el rango de velocidad de las propias estrellas, creo que está claro que estamos tratando con una rareza.

Danieli presentó sus nuevos hallazgos en una conferencia sobre la materia oscura hace unos días en la Universidad de Princeton, y los envió a la revista Astrophysical Journal Letters para su publicación.

En otro artículo, Danieli describe la galaxia DF4, que ella y varios colegas observaron con el Telescopio Espacial Hubble el año pasado. Examinando siete cúmulos estelares en órbita alrededor de DF4, encontraron que se mueven lentamente, lo que sugiere que hay poca o ninguna materia oscura en la galaxia. En conjunto, el descubrimiento de DF2 y DF4 en la misma zona del cielo implica la existencia de toda una clase de estas oscuras galaxias pobres en materia, dice el astrónomo.

En la búsqueda de la materia perdida
Muchos astrónomos se están devanando los sesos acerca de cómo estas galaxias podrían formarse en primer lugar y dónde se fue la materia oscura.

Una posibilidad es la atracción gravitatoria de una galaxia cercana mucho más grande despojada de materia oscura, dice Boylan-Kolchin. O DF2 y DF4 podrían no ser galaxias, sino sólo modestas colecciones de estrellas enmascaradas como tales; en este caso, esos grupos aislados de estrellas podrían haberse formado por la colisión de chorros de gas de otro lugar.

O podría haber escenarios más triviales, como una orientación de la galaxia con respecto a la Tierra que es desfavorable para recoger medidas espectrales precisas de sus movimientos, dice Martin. “Estoy un poco indeciso sobre el sistema. Es ciertamente intrigante y necesita ser explicado, pero podría muy bien haber una explicación bastante trivial, que es sólo el ángulo equivocado o algo así”, dice.

Una cosa está clara: si se confirma más allá de toda duda razonable, la ausencia de materia oscura en las galaxias demostraría de manera concluyente que la materia es separable de las estrellas, el gas, el polvo y otra materia ordinaria, y reforzaría aún más la idea de la existencia de la materia oscura.

Hasta ahora, a pesar de décadas de intensa investigación, nadie ha detectado definitivamente la materia oscura. La ausencia de pruebas ha impulsado a algunos astrofísicos a buscar formas alternativas de modelar las galaxias y establecer sus movimientos mediante el desarrollo de clases de hipótesis con nombres como “gravedad emergente” y “dinámica newtoniana modificada”.

Los partidarios de estas hipótesis argumentan que el modelado que la mayoría de los astrónomos atribuyen a la materia oscura podría ser un fenómeno derivado de la física que aún no podemos comprender.

Pero si así fuera, esas condiciones se reproducirían en todas partes. Galaxias como la NCG 1052 DF2 y DF4 también estarían sujetas a esas gravedades alternativas, y esas teorías deberían explicar de alguna manera tales rarezas galácticas (lo que no hacen actualmente). Por lo tanto, la absoluta peculiaridad de esas galaxias sugiere que las alternativas están equivocadas, y la materia oscura debe ser realmente la causa.

Stacy McGaugh, astrónoma de la Universidad Case Western Reserve y partidaria de algunas alternativas a la materia oscura, observa que la medida de Emsellem de la velocidad de dispersión es casi el doble que la de Danieli. “La declaración que se ve obligado a hacer es que todavía estamos esperando que esto funcione. Desearía que los datos fueran consistentes”, dice. “Pero son consistentes con la presencia de las estrellas solas y sin materia oscura, lo que hace las cosas realmente interesantes. Las siguientes preguntas son: ¿Cómo llegó a este punto? Es una propiedad intrínseca, ¿sólo hay galaxias como éstas? Mi sensación es que no.

Más respuestas definitivas pueden venir pronto; Danieli dice que el grupo está ahora buscando otras galaxias enanas sin materia oscura. “Estos objetos pueden decirnos algo sobre la naturaleza de la materia oscura, pero es demasiado pronto para decirlo. Esta es ciertamente nuestra esperanza, pero primero tenemos que encontrar más objetos y estudiarlos con más detalle”, dice.

 

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